[發明專利]一種利用平面形狀和拓撲圖投票的點云配準方法

在審

• 申請號: 202210012942.6
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114463396A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 謝洪;閆利;韋朋成;陳長軍;李瑤;戴集成
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T19/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 王琪

本發明公開一種利用平面形狀和拓撲圖投票的點云配準方法，包括如下步驟：步驟1，采用體素化點云平面分割算法將點云粗分割為平面基元，并使用RANSAC平面擬合方法計算準確的平面參數；步驟2，選取平面形狀作為平面匹配的特征，并設計平面形狀描述符進行同名平面匹配；步驟3，根據已匹配的同名平面位置和法向量夾角關系構建拓撲圖，并基于一種同名平面邊投票策略，將錯誤匹配的平面剔除；步驟4，選擇最優幾組同名平面計算兩站點云的變換矩陣完成點云的配準。本發明設計出一種HIA?TCD平面形狀描述符，該描述符顧及平面上的孔洞以及掃描過程中存在部分遮擋的現象，能夠提高平面匹配的魯棒性。

技術領域

本發明涉及一種基于平面形狀匹配和拓撲圖投票的點云自動粗配準算法，算法，屬于遙感測繪領域。

背景技術

近年來，隨著3D Lidar技術的發展，點云在城市場景中得到了廣泛的應用，如建筑物三維重建、城市規劃、室內導航等，而且點云被證明是繪制城市場景最合適的數據源之一。受到三維激光掃描儀掃描距離和掃描方式的限制，經過一站掃描通常不能獲取完整的場景數據，需要經過多角度，多平臺，多測站，多時相等方法提高數據完整性和質量，不同測站的點云需要通過配準技術將他們統一到同一坐標系下，因此點云配準在激光雷達研究中有著重要的地位，是其他點云處理技術的重要基礎。其研究廣泛分布于計算機視覺、攝影測量、森林調查、機器人技術等領域。

點云配準一直是三維激光領域的研究熱點，點云配準的過程就是計算兩站點云之間的剛性變換參數，以其中一站點云作為目標點云，將另一站(源點云)轉換到與目標點云同一坐標系下。剛性變換是一種低維實體，只要在三個點對之間知道正確的對應關系，就可以唯一地恢復。以ICP算法為代表的精配準算法是解決配準問題的有效方法算法之一，該算法重復進行選擇對應關系點對，計算最優剛體變換，直到滿足正確配準的收斂精度要求。但是該算法需要給定旋轉矩陣一個初始值，否則很容易陷入局部最優。因此，為了獲取初值需要對兩站點云進行粗配準。點云粗配準技術又根據特征提取的基元不同分為基于點的方法，基于線的方法和基于面的方法。其中基于點的方法效率和精度較低，容易受噪聲點的影響。基于線的方法雖然可以提高效率，但是同名基元匹配困難，使用場景受限。基于平面的點云配準算法能夠大大減少匹配基元的數量，可以加快同名基元匹配的效率，另一方面平面的特征更加穩定，Xiao等人使用區域生長算法分割平面后，計算平面的面積，然后找到面積大體相等的兩組平面計算旋轉量，如果旋轉真實，則找第三組平面，根據法線判斷一致性，最后計算變換參數。Dold等人根據平面的面積、邊界長度、邊界邊框和平均長度作為描述符進行匹配。Li等人通過三個平面之間的特殊角度在兩站點云中尋找對應匹配。但是受掃描位置的影響，通過激光掃描儀獲取的建筑物平面點云通常會有遮擋，依靠平面的面積、包圍盒、向量夾角等特征約束的同名平面匹配并不可靠。

發明內容

本發明要解決的主要技術問題是：針對平面特征設計一種準確、魯棒的描述符用來匹配同名平面進而解決城市場景中大數據量點云配準的問題。

針對以上問題，本發明提供了一種基于平面形狀和拓撲圖投票解決城市場景點云粗配準的方法。在人的感知規則中，通常根據平面形狀相似性和平面之間的位置關系判斷城市場景中兩個平面是否為同名平面，根據以上原則本發明以平面形狀作為幾何匹配的特征，通過設計平面形狀描述符對同名平面進行匹配，然后在已匹配的同名平面中，根據平面的位置和法向特征構建拓撲圖，根據投票原則將錯誤匹配剔除。最后通過選取三對最優匹配平面計算兩站點云之間的剛性變換參數。

為了達到上述目的，本發明提供的技術方案是：

步驟1，采用體素化點云平面分割算法將點云粗分割為平面基元，并使用RANSAC平面擬合方法計算準確的平面參數；

步驟2，選取平面形狀作為平面匹配的特征，并設計平面形狀描述符進行同名平面匹配；

步驟3，根據已匹配的同名平面位置和法向量夾角關系構建拓撲圖，并基于同名平面邊投票策略，將錯誤匹配的平面剔除；